苯酚生產的塔設備設計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u3908苯酚生產的塔設備設計案例綜述 1326091.1設計概述 1140141.2塔設備選型 2282171.2.1概述 243611.2.2塔設計要求 2263741.2.3塔的類型 269661.2.4填料塔 4184011.2.5填料塔和板式塔的比較 5253751.2.6塔型的結構與選擇 6304181.3塔設計計算 7286381.3.1水力學參數 7314841.3.2塔徑的計算 7324631.3.3工藝尺寸的計算 9112661.4流體力學驗算 12168551.4.1降液管液泛 1245411.4.2停留時間 13288791.4.3霧沫夾帶量校核 1378041.4.4嚴重漏液校核 14202821.5精餾段塔板負荷性能圖 14991.5.1漏液線 1442701.5.2過量霧沫夾帶線 14273031.5.3液相負荷下限線 1565601.5.4液相負荷上限線 15321791.5.5液泛線 15182891.5.6負荷性能圖 15280321.6提餾段塔板負荷性能圖 164881.6.1漏液線 16162941.6.2過量霧沫夾帶線 16106231.6.3液相負荷下限線 1717711.6.4液相負荷上限線 17207881.6.5液泛線 17287671.6.6負荷性能圖 17設計概述設備選型在項目建設中具有極其重要的地位。從工藝設備上來看，化工設備具體可分為兩大類，其一是標準型設備，其二就是非標準性設備。按照定義，標準型設備指的是已經按照根據相關的國家規定，統一按照對應的標準，不用做過多調整，能進行批量生產的設備；而與之相對應的非標準設備，非標準設備是指從設備的實際用途和需求出發，參考目前的工藝條件，再結合物料計算，從而計算出相應的尺寸，或者是專業的設備設計人員對現有的圖紙進行修改，再交予生產商按照圖紙內容進行制造。本項目擬建一套年產15萬噸異丙苯法制苯酚氧化工段工藝設計。本次設備設計對部分的主要設備進行選型設計，過程中主要確定設備的直徑、高度等基本尺寸，部分設備的制造材料、接口尺寸。為設備的制圖做基礎。塔設備選型概述精餾塔以氣液或液液等形式來進行質量交換，從而達到物質分離的的目的。塔器在化工、制藥等行業的分離中是常見的設備，也是關鍵性的設備。塔設計要求(1)確定具體的分離效率，并核算出與之對應的塔高。(2)從設計選型中選出兼顧生產能力和單位塔截面積處理量的設計(3)實際生產中，傳質分離的效果與操作彈性系數有著息息相關的聯系。對于實際的氣液負荷曲線來說，把分離效率最高的點所處的位置下調15%的，與之對應的最大負荷和最小負荷，它們的比值稱為操作彈性。通常，在這一區間，操作趨于平穩。(4)從流體力學的角度來看，通過的氣體阻力越小，它的輸送功率就越低。在真空精餾的環境下，降低流經的氣流的阻力，能使塔頂與塔底的壓強差變小，當塔底操作壓強減小，塔底溶液的氣泡點也隨之減小，對塔釜加熱劑的要求也隨之降低，同時還能緩解塔底物料的分解。(5)造型簡單，造價相對低廉，設備的原材料來源豐富，在加工、維修和制造上方便快捷，能應對多種場景。塔的類型工業上使用的塔類型主要是填料塔和板式塔兩種，對于填料塔和板式塔的比較和選擇如下。（1）板式塔常見的板式塔如下。通常，把塔內有多層塔板的塔稱為板式塔。每一層塔板上都能進行熱量傳遞和物質傳遞，再通過辨別塔板的形狀、塔板的結構或者氣液兩相在塔板上的表現，就能大致確定這個塔的類型。例如篩板塔、波紋型板塔、噴射塔等。=1\*GB3①浮閥塔浮閥塔的具有效率高、產量大的特點。同時，由于結構設計，它的傳遞物質的效率也優于其他塔，也具有霧沫夾帶量少、液面梯度較為平緩、塔設計結構簡單的特點。浮閥塔的出現時間較晚，成長潛力很大，目前有很多專家不斷對浮閥塔進行改進，因此，新的浮閥塔不斷涌出。=2\*GB3②泡罩塔從板式塔的歷史來看，泡罩塔是最早出現在工業生產上的，由于結構設計，氣相與液相能充分接觸，有較大的操作彈性，但這也導致了它的分離效率較低，而且，需要使用較多的金屬來保證塔體的強度，加工相對復雜，在應用層面處于劣勢地位。=3\*GB3③篩板塔篩板塔是結構最簡單的板式塔，它具有降液管，孔徑取4~8mm。由于結構簡單，在制造上比較方便，具有處理量大、塔體清洗方便、結構件修理、更換方便。但是操作范圍相對較小，只適用于粘性較小的物料，以防止堵塞。④波紋穿流板塔波紋穿流塔板是最近幾年新研發的一種板式塔，從氣液兩相流經路徑來看，它們從塔板上穿流通過，不具有降液管，具有制造方便、生產能力強的特點。同時，由于霧沫夾帶量較小，塔內壓強小，塔體內方便清潔，不容易堵塞。目前來看，我國應用最廣泛的浮閥塔類型有F1型、V-4型和T型。其中，F1型浮閥塔的結構最簡單，應用也最廣泛。而F1型浮閥塔又有重閥和輕閥之分，它們主要區別在重量和厚度上。一般來說，浮閥的重量對操作的穩定性有較大影響，隨著閥的重量增加，穩定性也會增強，但是相應的氣體阻力也會變大。綜合來看，重閥的使用場景更廣闊，但是在某些壓降比較小的場景，就必須使用輕閥，比如真空精餾。表4-1三種閥主要尺寸閥的類型F1型（重閥）V-4型T型篩孔直徑/mm393939閥片直徑/mm484850閥片厚度/mm21.52最大開度/mm8.58.58靜止開度/mm2.52.51.0-2.0閥片質量/mm32-3435-2630-32填料塔填料塔的外形呈圓筒狀，能填充一層或者多層填料。氣相從塔底進，液相從塔頂進，熱量傳遞和物質傳遞主要在填充物料的表面進行，因此，填料塔的關鍵在于選擇合適的填料。填料塔的類型比較多，從裝填的類型來看，可分為散裝填料和規整填料，具體原則有以下幾條：（1）需要較大的比表面積，通量高，傳質效率也比較高；（2）填料塔的壓降比較小；（3）較高的操作性能，且流經的液體再分布性能要好；（4）塔體的機械強度合適，造價低廉；填料的選擇要以類型、填料規格、填料材料更方面考慮。填料的主要幾種類型有拉西環、鮑爾環以及階梯環等。包裝形式又有波紋、網格以及纏繞等方式。九種常用填料的性能評價見表4-2:表4-2九種常用填料性能對比排序填料名稱評價評估值1絲網波紋填料效果很好0.862孔板波紋填料效果非常好0.613金屬Intalox效果非常好0.594金屬鞍形環效果非常好0.575金屬階梯環效果不錯0.536金屬鮑爾環效果不錯0.517瓷Intalox效果還行0.418瓷鞍形環效果差0.389瓷拉西環效果差0.36填料的選擇既要滿足工藝條件，也要滿足生產條件，還要節約成本，使設備等投資費用達到最低。填料塔和板式塔的比較表4-3精餾塔的主要類型及特點類型板式塔填料塔結構特點每層板上裝配有不同型式的氣液接觸元件或特殊結構塔內設置有多層整砌或亂堆的填料，如拉西環、鮑爾環、鞍型填料等散裝填料，格柵、波紋板等規整填料操作特點氣液逆流逐級接觸微分式接觸，可采用逆流操作，也可采用并流操作設備性能空塔速度（亦即生產能力）高，效率高而且穩定；塔壓降大，液體量大，操作彈性大。空塔氣速與塔徑成反比，液相的噴淋密度要大，但持液量不宜過大，操作的彈性大，效率低制造與維修直徑在600mm以下的塔安裝困難，金屬材料耗量大新型填料制備復雜，造價高，檢修清理困難，可采用非金屬材料制造，但安裝過程較為困難適用場合處理量大，操作彈性大，帶有污垢的物料處理強腐蝕性，液氣比大，真空操作要求壓力降小的物料確定塔的參數選型需要綜合各種因素，例如操作物質的物性，操作的條件，塔的適應性，同時還要為塔的制造，安裝以及維修的難度，還有塔體的材料和成本。在精餾段，若是真空精餾或常壓精餾，由于填料塔的塔內空間利用充分，能提供更大的傳質面積，導致氣相與液相能充分接觸，因此，填料塔的效率比板式塔的效率更高，這時能優先考慮填料塔。當考慮加壓精餾的場景時，由于填料塔的投資大，且耐波動能力較弱，此時便不推薦填料塔。從吸收過程考慮，主要類型有液膜控制和氣膜控制，還有介于兩者之間的共同控制吸收這三種類型。氣膜控制吸收類似于真空精餾，選擇高效規整的填料塔；液膜控制類似于加壓蒸餾，優先選擇板式塔；介于二者之間的按照經驗，多數選用散裝填料塔。總的來說，具體選型應著重考慮以下幾個方面：（1）物性因素物料容易起泡，處理的量又比較小時，選擇填料塔比較好，若選擇板式塔容易出現液泛現象。對于腐蝕性強的物系，選擇填料塔是最合適的，但必須選擇板式塔時，可以考慮篩板塔，篩板塔的結構簡單，制造成本低，結構件更換更方便。對于熱敏性的物料，應當采取適當的減壓操作，以防止溫度太高引起物料分解或聚合，因此應該選擇壓降較小的塔型。對于粘性較大的物系，可以選用大尺寸較大的填料塔。對于含有懸浮物的物料，應選擇液相流通道大的塔型，這里優先考慮板式塔。對于操作過程中有較大熱效應的系統，優先考慮板式塔。（2）操作條件因素當氣相傳質阻力較大時，宜采用填料塔。當液體負荷較大時，可選用填料塔。（3）其他因素通常，當塔體直徑大于800mm時，優先考慮板式塔最優，否則選擇填料塔。填料塔用于吸收和解吸過程，可以達到很好的傳質效果，因為它具有通量大、阻力小、傳質效率高等性能。因此實際過程中，吸收、解吸和氣體洗滌過程絕大多數都使用填料塔。由于填料塔具有通量大、傳質效率高和阻力小的特點，因此它的吸收、解吸過程的物質傳遞效果很好。塔型的結構與選擇塔設備結構主要有：附件、內件、塔體及支座。（1）塔體的結構比較簡單，主要由封頭和筒節組成。當塔體直徑大于800mm時，多節塔體焊接，形成一個整體；當塔體直徑小于800mm時，塔體分多段制造，再用法蘭連接起來，形成整體結構；（2）板式塔的塔內件主要是塔盤，填料塔的內件主要是填料制支承，同時也是物料經過的區域；（3）常用的支座是裙式支座；（4）附件包括手孔、人孔，各種扶梯、平臺、吊柱、接管等。同時，還需考慮物料的特殊物性、操作壓力的具體范圍以及經濟成本等因素。塔設計計算本次計算以塔T201計算為例，操作壓力為0.15MPa，塔頂溫度41.245℃，塔底溫度194.127℃，塔板數50塊，詳細的計算過程如下所述。水力學參數提取Aspenplus各塔板上的物性參數，選取塔板上氣液相負荷最大的第1塊塔板進行手工計算和校核，然后再用Aspenplus進行塔的設計和校核，通過比較來檢查計算的正確性。表4-1塔板物性數據物性參數符號液體L氣體V溫度/℃T41.245102.085質量流率/（kg/h）-31508.00031581.600體積流率/（m3/h）-40.59511669.400密度/（kg/m3）ρ776.1472.706表面張力/（dyne/cm）σ21.631—塔徑的計算塔板間距HT的選取與塔高、塔徑、物性性質、分離效率、操作彈性以及塔的安裝、檢修等因素有關。設計時通常根據塔徑的大小，由表4-2列出的塔板間距的經驗數值選取。表4-2塔板間距和塔徑的關系塔徑Di/m0.3～0.50.5～0.80.8～1.61.6～2.02.0～2.4>2.4板間距HT/mm200～300300～350350～600450～600500～800≥800初選塔板間距HT=500mm板上液層高度hL=60mmHT-hL=440mm氣液兩相流動參數：L圖4-1史密斯關聯圖查圖4-1得C20矯正到表面張力為21.631mN/m時C=u取安全系數為0.600，則空塔氣速為u=0.600D=按標準塔徑圓整后為：D=2.400m塔截面積為：A實際空塔氣速為：u=安全系數u在0.5~0.8 范圍間，合適。工藝尺寸的計算以精餾段計算為例。（1）溢流裝置計算塔徑D=2.400m，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下：①降液管尺寸取堰長：l由弓形降液管的幾何關系圖如下所示：結構參數圖查得：圖4-2弓形降液管的幾何關系圖結構參數查圖得：A因此弓形降液管所占面積：A弓形降液管寬度：W驗算：液體在降液管的停留時間：τ=合適。②溢流堰尺寸因為受液盤為凹形受液盤，所以沒有內堰。L圖4-3液流收縮系數由《化工原理》（夏清、賈紹義編制）圖液流收縮系數計算圖查得：E=1.02由弗朗西斯公式，堰上液層高度?溢流堰高：hw=hL-③降液管底隙高度h計算公式：h一般u0'=（0.06-0.25）m/s，本設計取u0'選用凹形受液盤，深度hw（2）閥孔數選用F1型重閥，氣體動能因數F0的數值常在8~20之間。閥孔直徑d0初取動能因數F0u每層塔板上閥孔個數n=（3）閥孔排列可將塔板分為四個區域，分別為：①溢流區降液管及受液盤所占的區域：W②安定區溢流區與鼓泡區之間的面積安定區寬度一般在60-70mm，本設計取WS③無效邊緣區靠近塔壁的一圈邊緣區域，主要供支持塔板的邊緣之用。無效邊緣區寬度一般在50-60mm，取WC④鼓泡區塔板上氣液接觸的有效面積開孔區面積AaAx=r=所以A采用等腰三角形錯列，底邊長L0=75mm，排間距t=取t=180mm閥孔排數：n閥孔氣速u動能因數F0=u（4）開孔率φ=Aφ=開孔率在10-15%之間，滿足要求。流體力學驗算降液管液泛降液管內清液層高度：H（1）降液管阻力?（2）塔板壓降?①干板阻力臨界孔速:u閥全開前（u0?閥全開后（u0?所以?②板上充氣液層阻力取充氣系數ε0hl=ε所以：hP=hc+計算H取降液管中泡沫層相對密度?=0.5，則φ（HT可見，Hd＜?（H停留時間應保證液體在降液管內的停留時間大于5s，才能使得液體所夾帶氣體的釋出。τ=可見，所夾帶氣體可以釋出。霧沫夾帶量校核泛點率計算公式：F=板上液體流經長度：ZL=D-2W板上液流面積：Ab=AT-2A泛點負荷系數CF由泛點負荷系數圖查得CF=0.130圖4-4泛點負荷系數并取物性系數K=1.5，將以上數據代入得到F=0.346及F=0.398可見，兩式均小于80%，故霧沫夾帶量